Innovatie in industriële context

Verslag

Na een gedwongen pauze van meer dan anderhalf jaar door Corona, pakte het Kenniscafé de draad weer op met een lezing van professor Jacquelien Scherpen over ‘Innovatie in Industriële context’. 

Een gelauwerd wetenschapper

De in Schoonebeek geboren Scherpen (1966) is een gezaghebbende wetenschapper met een imposant cv. Zij studeerde toegepaste wiskunde aan de Universiteit Twente, waar zij vervolgens promoveerde op het proefschrift ‘Balancing for nonlinear systems’. In september 2006 werd zij benoemd als hoogleraar Discrete Technologie en ProductieAutomatisering (DTPA) bij de faculteit Science en Engineering van de RUG. Zij is gastonderzoeker geweest in Frankrijk, Japan en de Verenigde Staten. Haar naam is verbonden aan talloze publicaties. Zij is winnaar van de ‘best paper prize’ van Automatica 2017-2020 (wereldwijd de best beoordeelde publicatie over automatisering in dat tijdvak). In 2020 is zij benoemd tot Captain of Science van de Nederlandse High Tech Systemen en Materialen (HTSM) Topsector. Voor haar uitzonderlijke prestaties werd zij in 2019 benoemd tot Ridder in de Orde van de Nederlandse Leeuw. 

Complex en niet-complex

In haar lezing wil Scherpen laten zien dat niet complexe regelsystemen nodig zijn om complexe systemen goed te laten werken. Zij plaatst haar onderzoek eerst in historisch perspectief. Na de eerste industriële revolutie die rond 1800 begon met de uitvinding van de stoommachine, zijn wij inmiddels in de vierde industriële revolutie beland, waarin digitalisering, individualisering, klantgerichte massaproductie en het internet of things centrale begrippen zijn. Wij leven in de tijd van smart industries of van de Industrie 4.0. 

 Achter al die slimme en autonome systemen die ons omringen, schuilt de sleuteltechnologie van de regeltechniek. Het publiek ziet verbazingwekkende plaatjes van een hele groep drones die een enorme vrachtwagen optillen en van samenwerkende robots die als een groep spreeuwen een logo vormen. Daarachter schuilen regelsystemen, waarvan de besturingsalgoritmen (‘de intelligentie’) zorgen voor de aandrijving van elektromechanische systemen, die weer worden gemonitord door meetsystemen, die op hun beurt de algoritmen weer voeden. De onderdelen van zo’n regelsysteem praten met elkaar door middel van wiskundige vergelijkingen. Die vergelijkingen, die toegepaste wiskunde, zijn het vakgebied van Scherpen. 

Robots en cobots

De robot is het ultieme voorbeeld van een niet-lineair regelsysteem. Hoe maken wij een robot intelligent? Dat kan door hem (haar?) te voeden met modellen of met een heleboel data. Daarmee komen wij op het terrein van ‘machine learning’ en kunstmatige intelligentie. De grote uitdaging bij het autonoom maken van robots is de ‘actuatie’ oftewel de aandrijving. Waar houd je rekening mee en waarmee niet? Het filmpje van een klunzende robot die er maar niet in slaagt een pakje op een stapel te zetten is voor sommige bezoekers een troostrijk beeld. Robotisering en automatisering zijn dus de kernbegrippen van de Industrie 4.0. De eerste robot werd in 1961 in Amerika gemaakt. Inmiddels kunnen wij niet meer zonder. Sinds 1990 zijn de loonkosten meer dan verdubbeld, terwijl de prijzen van robots gehalveerd zijn. Omdat het opleidingsniveau er hoog is en de loonkosten laag worden ook robots ironisch genoeg vooral in China gemaakt. Het aantal vanuit China verscheepte robots vertoont in onze eeuw een exponentiële groei. De toename in 2017 ten opzichte van het voorafgaande jaar bedroeg maar liefst 58%. Robots worden het meest ingezet in de auto-industrie en in de elektronica. Scherpen toont met statistieken aan dat de robotisering geen arbeidsplaatsen kost, maar per saldo arbeidsplaatsen oplevert. Maar er treedt uiteraard wel een verschuiving van de werkzaamheden op, van handarbeid naar hoofdwerk. Robots worden vooral nog ingezet voor standaardtaken zoals lassen, het stapelen van pakketten en assemblage van machines. 

Scherpen laat het publiek vervolgens kennismaken met cobots (coöperatieve, samenwerkende robots), met digitale tweelingen (een concept waarbij een robot eerst virtueel getest kan worden) en met de onderwater ‘visrobots’ uit het eigen lab. Uiteindelijk is de vraag hoe robots en mensen gezamenlijk de beste beslissingen kunnen nemen. De toekomst van verdere robotisering ligt in de combinatie van beproefde modellen, verbetering van het ‘gevoel’ van robots en data-gebaseerde methoden om met een onbekende omgeving om te gaan. Een grote computerrekenkracht en een hoge leersnelheid van de robot zijn daarbij essentiële randvoorwaarden. 

Regelsystemen en energie

In de tweede helft van haar lezing past de hoogleraar de principes van een autonoom, niet-lineair regelsysteem toe op de energievoorziening en het elektriciteitsnetwerk, dat tot dusver bij uitstek lineair is: de stroom gaat in een rechte lijn van de centrale naar de gebruiker. De combinatie van alle nieuwe energiesystemen en de intrinsieke disbalans in veel van die systemen (windmolens wekken geen stroom op als het windstil is en zonnepanelen niet als het zwaarbewolkt is) vergen een intelligent netwerk. Het bestaande netwerk is gecentraliseerd, elektromechanisch en eenrichtingsverkeer. Het intelligente netwerk waar Scherpen c.s. onderzoek naar doen is gedistribueerd, digitaal en is twee- of meer-richtingsverkeer. Zo’n intelligent netwerk veronderstelt intelligente huizen en met internet verbonden apparaten: het internet of things. Een intelligent netwerk stelt ook eisen aan de infrastructuur. Misschien zou het dan handiger zijn gelijkstroom te hebben in plaats van wisselstroom. '

En passant vertelt Scherpen dat ‘the battle of currents’ (strijd om stroomsoorten) aan het einde van de negentiende eeuw beslecht werd in het voordeel van Tesla, die voor wisselstroom was, ten koste van Edison, de voorvechter van de gelijkstroom. Ironisch genoeg wordt de elektrische auto die naar Tesla vernoemd is, aangedreven door gelijkstroom. Lees Wikipedia voor andere sappige details over deze oorlog. 

Om intelligente energienetwerken tot hun recht te laten komen, moeten ook de marktstructuren veranderen. De faculteit van Scherpen doet onderzoek naar compartimentering binnen het energienetwerk, waarbij de onbalans per huishouding in evenwicht wordt gebracht door stroom te betrekken van, of te leveren aan de virtuele buren. Dit veronderstelt overigens dat apparaten draaien op het moment dat dat qua energievoorziening het beste uitkomt, maar in het internet of things zetten die zichzelf dan aan. 

Alfa's en beta's

Scherpen benadrukt dat zij het onderzoek niet alleen doet, maar leunt op een handvol universitaire onderzoekers en een veertigtal PhD-studenten (promovendi), die voor het overgrote deel uit het buitenland komen: in Nederland is nog steeds te weinig belangstelling voor techniek. 

Het duizelt de alfa’s in het publiek, maar na de pauze zijn er verrassend veel vragen. De meeste vragenstellers haken aan op het energieverhaal en de slimme netwerken. Hoe beveiligen wij dat allemaal? En hoe zit het met onze privacy? Hoe voorkomen wij een uitglijder zoals de toeslagenaffaire, waarbij algoritmes domweg discrimineerden? Scherpen heeft oog voor deze zorgen, maar vindt dit vragen waar de politiek over moet beslissen. En ja, erkent ze, dan is het verdraaid handig dat die beslissers wel begrijpen hoe techniek werkt.     

Foto's